（光学工程专业论文）并联式混合动力公交车及其冷却系统性能仿真研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着全球能源和环境问题的日益突出，开发低油耗、低排放的新型汽车成为 当今汽车工业发展的首要任务。混合动力汽车既具有纯电动汽车高效和低排放的 性能，还具有传统燃油汽车行驶里程长和快速补充燃料的性能是当今最具有应 用前景的低油耗、低排放汽车。混合动力汽车的研发成为当前各大高校和汽车企 业研究的一个热点。而混合动力系统最适合、最有潜力应用于公交车，尤其是公 交车。 尽管国内外在混合动力汽车方面已经进行了大量的研究，并且部分混合动力 车型已经实现了小批量生产，但混合动力汽车仍存在较多关键技术问题有待解决。 本文以并联式混合动力公交车作为对象进行了研究。 首先，本文介绍了混合动力汽车研究的背景和意义、混合动力汽车的定义及 其分类、混合动力汽车的关键技术及其发展现状以及混合动力汽车控制策略的研 究现状，着重介绍了并联式混合动力汽车控制策略。 其次，对本文研究对象并联式混合动力公交车的系统结构及控制策略进行分 析，在分析并联式混合动力汽车的结构特点和混合动力汽车运行模式的基础上， 制定了基于转矩分配的控制策略，即将整车需求转矩在发动机和电机之间进行合 理分配，保证发动机在高效区工作。在m a t l a b s i m u l i n k 软件中建立了并联式 混合动力公交车控制策略的模型，该模型具有整车需求转矩估算、整车工作模式 判断和需求转矩分配等功能。 然后，在c r u i s e 软件中建立了并联式混合动力公交车整车模型，运行仿真 计算任务，分析了仿真结果，并与试验结果进行对比，验证仿真的可靠性。仿真 结果表明仿真车辆比传统燃油汽车节油1 0 左右，且爬坡性能和全负荷加速性能 良好。 最后，在f l o w m a s t e r 软件中建立了并联式混合动力公交车的冷却系统模型， 计算汽车在不同环境温度不同工作模式下风扇的合理转速。利用s p s s 软件回归 分析风扇转速及其相关因素之间的关系，并以此为依据提出风扇的控制策略，在 m a t l a b s i m u l i n k 软件中建立了风扇控制策略的模型。 山东大学硕士学位论文 上述混合动力汽车的研究工作，建立了混合动力汽车整车及其冷却系统研究 与开发的流程，为后续研究与开发工作提供了技术基础。 关键词：混合动力；控制策略；仿真；c r u i s e ；f l o w m a s t e r ；s p s s 山东大学硕士学位论文 a bs t r a c t a st h ee n e r g ys e c u r i t ya n de n v i r o n m e n t a li s s u e sa r eg e t t i n gm o r ea n dm o r e r e m a r k a b l ei nt h ew o r l d ，d e v e l o p i n gc l e a nv e h i c l e sw i t hh i g hf u e le c o n o m ya n dl o w e x h a u s te m i s s i o n sh a sb e c o m eap i i 儿i z u y ki n ( h ca u t o m o t i v ei n d u s t r y h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) ，w h i c hi n c o r p o r a t e st h ea d v a n t a g e so fb o t ht h ee l e c t r i cv e h i c l e a n dt h ec o n v e n t i o n a li c e ( i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ) v e h i c l e ，i sr e g a r d e d 硒t h em o s t p r a c t i c a ls o l u t i o nf o rc l e a nv e h i c l e sw i t hh i g hf u e le f f i c i e n c ya n dl o we m i s s i o n sa t p r e s e n t h e vb e c o m e st h ef o c u so fv e h i c l er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti nm a n y u n i v e r s i t i e sa n dl a r g ea u t o m o b i l ee n t e r p r i s e s a n dt h e h y b r i de l e c t r i cs y s t e mm o s t s u i t sf o rt h eb u s ，e s p e c i a l l yt h ec i t yb u s b o t ha th o m ea n da b r o a dm a n yr e s e a r c h e sh a v ed o n ei nh e v , a n ds o m ef o r e i g n e n t e r p r i s e sh a v ei n d u s t r i a l i z e da l r e a d y s o m ee n t e r p r i s e sa l s oa c h i e v e ds m a l lb a t c h p r o d u c t i o n , b u tt h e r e 踟- es t i l lm a n yp r o b l e m ss h o u l db es o l v e d t h e o r e t i c a lr e s e a r c h a n ds i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ep a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cc i t yb u sh a v e d o n ei nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n do fh e v sr e s e a r c h , t h ed e f i n i t i o no fh e va n di t s c l a s s i f i c a t i o n ，k e yt e c h n o l o g ya n dp r e s e n ts i t u a t i o no fh e v w e r ei n t r o d u c e d ，s ow a s t h ep r e s e n ts i t u a t i o no fh e v sc o n t r o ls t r a t e g y , e s p e c i a l l yp h e v sc o n t r o ls t r a t e g y t h e n ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp a r a l l e l h y b r i de l e c t r i c a l v e h i c l ea n dc o n t r o l s t r a t e g i e sw e r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r u c t u r e a n dt h eo p e r a t i o nm o d eo ft h eh e v , t h et o r q u ed i s t r i b u t es t r a t e g yw e r ed e s i g n e d t h e v e h i c l e sd e m a n dt o r q u ew a sd i s t r i b u t e dt ot h ee n g i n ea n dm o t o rp r o p e r l y , w h i c h m a k e st h ee n g i n er u ni nh i g he f f i c i e n ta r e a a n dt h ec o n t r o ls y s t e mm o d e lw a sb u i l ti n m a t l a b s i m u l i n k ，w h i c hw a sc o m p o s e do fd r i v et o r q u ec o m p u t em o d e l ，v e h i c l e r u nm o d em o d e la n dt o r q u ed i s t r i b u t em o d e l t h e n ，t h ep o w e rs y s t e mm o d e lo ft h ep a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cc i t yb u sw a sb u i l ti n a v l c r u i s e t h ec o n t r o ls y s t e mm o d e la n dt h e p o w e rs y s t e mm o d e lw e r e s i m u l a t e di nc o m b i n e ds i t u a t i o n t h er e s u l to fs i m u l a t i o nw a sc o m p a r e dw i t ht h e i i i 山东大学硕士学位论文 r e s u l to ft h et e s tr e s u l tt od e m o n s t r a t et h er e l i a b i l i t yo ft h es i m u l a t i o n 乃er e s u l t so f s i m u l a t i o nd e m o n s t r a t e dt h a tt h ev e h i c l es a v e da r o u n d10 f u e lc o m p a r i n g 、航t ht h e t r a n d i t i o n a lc a r a n dt h ec l i m b i n gp e r f o r m a n c ea n d 彻ll o a da n da c c e l e r a t i n g p e r f o r m a n c eo f t h ev e h i c l ew e r ev e r yw e l l f i n a l l y , t h es i m u l a t i o no fh e v sc o o l i n gs y s t e mw a s r u ni nf l o w m a s t e r am o d e l o ft h ec o o l i n gs y t e mw a sb u i l ti nf l o w m a s t e r r e a s o n a b l es p e e do ft h ef a nw a s o b t a i n e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o n r e g r e s s i o na n a l y s i sw a sr u ni ns p s st of i n do u tt h e r e l a t i o nb e t w e e nt h ef a n ss p e e da n di t sr e l e v a n tf a c t o r b a s e do nt h er e s u l t , t h e c o n t r o ls t r a t e g yo ft h cf a nw a sp r o p o s e d 1 1 1 em o d e lo ft h ec o n t r o ls t r a t e g yw a sb u i l t i nm a t l a b s i m u l i n k w i t ht h ea b o v ew o r k ，t h eh e v sr e s e a r c hw a sd o n e t h eh e v sp o w e rs y s t e m a n di t sc o o l i n gs y s t e md e v e l o p i n gp r o c e s s e sw e r ee s t a b l i s h e da n ds o m es u p p o r t st h a t o f f e r e df o rt h ef u t u r er e s e a r c hw e r eg o tf r o mt h er e s u l t so ft h i sp a p e r k e y w o r d s ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ；c o n t r o ls t r a t e g y ；s i m u l a t i o n ；c r u i s e ； f l o w m a s t e r ；s p s s i v 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 1 8 8 6 年1 月2 9 日，德国工程师k a r lb e 船发明的三轮机动车获得世界上第 一辆汽车的专利权，标志着世界上第一辆汽车诞生。自1 8 8 6 年第一辆汽车诞生 以来，汽车工业的蓬勃发展极大地改变了人们的生活方式，提高了人们的生活质 量。汽车已成为当今人类社会不可或缺的交通工具。汽车工业的发展同时还给人 们造就了大量的就业机会，极大地促进了经济的发展。汽车技术的进步极大地促 进了机械、电子、化工等相关科学技术的进步。可以说，汽车的出现改变了整个 世界的面貌。经过一个多世纪的发展，汽车的结构不断改进，性能不断提高，功 能不断扩展，成为了人们日常生活和工作生产中必不可少的代步工具和运输工具。 汽车工业逐渐成为大多数国家的支柱产业，同时也成为衡量一个国家现代化水平 的重要标志。但是汽车在给人类社会带来巨大利益的同时，也给人类社会带来了 巨大的挑战日益严重的能源短缺和环境污染。 面对日益严峻的能源短缺和环境污染的挑战，各国加强了对传统燃油汽车电 控和尾气净化等技术的研究应用，同时制定了越来越严格的排放法规，虽然从一 定程度上降低了燃油的消耗和尾气的排放，但是没有从根本上解决能源短缺和环 境污染的问题，也越来越难以满足日趋严格的排放法规。为了实现经济、环境相 互协调、相互促进的可持续发展，大力发展新能源汽车，实现交通能源转型，成 为实现汽车行业可持续发展的重要途径。新能源汽车技术经历了百花齐放的探索 期后，主流技术已逐步清晰，实现汽车动力电气化，发展电动汽车是其总体趋势 和战略重点，这在国际上已形成共识。为了顺应趋势，各国政府、研发机构、制 造机构等都致力于电动汽车的研发、制造、推广。 相对于世界汽车工业来说，我国汽车工业还十分年轻，大规模发展汽车工业 才不过2 0 年左右的时间，汽车技术尤其是动力系统技术水平与世界先进水平差 距巨大。而我国在电动汽车领域的技术差距较小，能源与环境的挑战在给我国汽 车工业发展带来困难的同时，也提供了缩小与世界发达国家差距的千载难逢的大 山东大学硕士学位论文 好时机，也是保障我国汽车行业健康持续发展的历史机遇。 为了提高我国汽车工业的国际竞争力，实现我国汽车工业的振兴，科技部在 “十五”国家8 6 3 计划中特别设立电动汽车重大专项，把大力发展新一代汽车实 现产业化作为促进我国汽车工业实现跨越式发展的战略性举措。“十五 电动汽 车重大科技专项，确立并坚持了“三纵三横”的研发布局，如图1 1 所示，即以 燃料电池汽车、混合电动汽车、纯电动汽车为“三纵”，以多能源动力总成控制、 驱动电机、动力蓄电池及燃料电池等关键零部件为“三横 ，引领电动汽车的整 车开发和关键零部件的技术进步【l 】。 图1 - 1 “十五”电动车重大科技专项研发布局 电动汽车大体分为三类：纯电动汽车( e v ，e l e c t r i cv e h i c l e ) 、混合动力汽 车( h e v ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 和燃料电池汽车( f c e v ，f u e lc e l le l e c t r i c v e h i c l e ) 2 1 。纯电动汽车单纯地由电池提供汽车运行需要的全部能量，因此可以 实现零排放。但是受到电池技术的制约，纯电动汽车性价比低：电池能量密度低， 电池组质量大，一次充电的续驶里程和动力性能无法达到传统燃油汽车的水平； 电池组价格昂贵且循环使用寿命有限；电动汽车空调和暖风消耗能量，影响续驶 里程；基础设施建设复杂、投资巨大 3 1 。燃料电池汽车的电池能量是通过氢气和 氧气的电化学反应获得的。燃料电池的电化学反应过程不会产生有害产物，因此 也可以实现零排放。但是目前氢能获取不容易，制氢技术的成本高，氢能源基础 设施投入巨大，而且安全性要求高，无法在短期内实现产业化 4 1 。相比之下，混 合动力汽车最有可能实现产业化突破。混合动力汽车融合了传统燃油汽车和纯电 2 山东大学硕士学位论文 动汽车的优点：既具有纯电动汽车节能和环保的优点，有效地改善了汽车的燃油 经济性和排放性，又具有传统燃油汽车续驶里程长的优点，是当今最具有应用前 景的新型汽车。在纯电动汽车和燃料电池汽车尚未取得技术上的突破之前，使用 混合动力汽车作为由低排放到零排放的一种过渡，是解决目前能源短缺和环境污 染问题的有效途径之一【5 】。传统燃油汽车和电动汽车的比较如表1 1 所示【6 1 。 表1 1 传统燃油汽车和电动汽车的比较 车型传统燃油汽车 纯电动汽车 燃料电池汽车混合动力汽车 尾气排放 1 0 0o0 4 0 6 0 燃油消耗 1 0 0o04 0 6 0 续驶里程 1 0 03 0 5 03 0 5 01 0 0 成本 1 0 03 0 0 一4 0 0 1 0 0 01 3 0 1 6 0 能量来源种类少多较少多 能量转换率低 高 高较高 高效工况区范围 窄 宽宽较宽 再生制动无有有有 产业化前景已经实现暂时不能实现暂时不能实现可以实现 1 2 混合动力汽车的定义 19 81 年国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e e t r o t e c h i c a lc o m m i s s i o n ，i e c ) 下 属的电动汽车技术委员会提出如下定义：混合动力汽车( h e v ) 是能够根据特定 的运行要求，从两种或两种以上能量源、能量存储器或转换器中获取驱动力的汽 车，在运行中至少有一种能量源或能量存储器或转换器直接驱动汽车，并且至少 有一种能量源、能量存储器或转换器能够传递电能川。根据此定义，混合动力汽 车有多种形式。而本文的混合动力汽车指的是被人们广泛接受的“油一电 混合 动力汽车，即以发动机和电机作为动力装置的混合动力汽车。 混合动力汽车融合了传统燃油汽车和纯电动汽车的优点： ( 1 ) 与同类型的传统燃油汽车相比，发动机可以一直工作在高效区，保持较 好的动力性、燃油经济性及较低的排放；车辆启动或低速运行时，电机单独驱动 汽车，可以实现零排放；启动时间短，操作响应快；由于发动机工况较稳定，且 有电机的配合，可以采用排量较低的发动机配置，且发动机控制变得简单，减少 了重量和成本；混合动力汽车可以回收能量，从而大大地提高燃油经济性。 3 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 与纯电动汽车相比，混合动力汽车的续驶里程和动力性可以达到传统燃 油汽车的水平；增加了发动机的原动力，可以适当地减少电池的数量和质量，从 而降低电池组的成本：借助发动机的原动力可以带动空调、转向助力及辅助装置， 无需消耗电池的电能，可以增加续驶里程；可以从发动机补充电池的电能，而不 仅限于减速或刹车时的能量；不需要借助外部电源充电，能够节省大量的充电基 础设施建设、投资。 基于上述优点，混合动力汽车不仅是传统燃油汽车到零排放汽车的过渡车型， 也是实现低油耗、低排放车辆产业化最现实最可行的方案，被普遍认为是目前最 具有开发和推广前景的新型清洁交通工具之一引。 1 3 混合动力汽车的分类 1 3 1 按动力传动系统类型分类 混合动力汽车按动力传动系统类型来分类主要分为串联式、并联式、混联式 三类。 1 串联式混合动力汽车( s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，s h e v ) s h e v 由发动机、发电机和电动机三大动力总成组成。发电机和电动机采用 “串联”的方式组成s h e v 的驱动系统，其结构型式如图1 2 所示。 图1 2 串联式混合动力汽车结构型式 2 并联式混合动力汽车( p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，p h e v ) p h e v 由发动机、电动发电机或电动机两大动力总成组成。发动机、电动 发电机或电动机采用“并联”的方式组成p h e v 的驱动系统，其结构型式如图 1 3 所示。 山尔入学硕十学位论文 图1 3 并联式混合动力汽车结构型式 3 混联式混合动力汽车( p a r a l l e l - s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，p s h e v ) p s h e v 由发动机、电动发电机和电动机三大动力总成组成。p s h e v 综合了 s h e v 和p h e v 的结构特点，其结构型式如图1 4 所示。 1 3 2 按混合度分类 图1 4 混联式混合动力汽车结构型式 混合度是电机的输出功率在整个系统输出功率中占的比重。混合动力汽车按 混合度来分类主要分为微混合动力系统、轻混合动力系统、中混合动力系统和重 混合动力系统四类。 1 微混合动力系统( b e l t a l t e r n a t o rs t a r t e rg e n e r a t o r ，简称b s g 系统) 代表的车型是p s a 的混合动力版c 3 和丰田的混合动力版v i t z 。该系统在传 统发动机的启动电机上加装了皮带驱动启动电机。该电机为发电启动( s t o p s t a r t ) 一体式电动机，用来控制发动机的启动和关闭，从而消除了发动机的怠速运转， 降低了油耗和排放。微混合动力系统的电机并没有为汽车的行驶提供持续动力， 冈此从严格意义上来讲，这种系统的汽车不属于真l i 的混合动力汽车。微混合动 力系统的电机电压通r m ! j e 下j - 1 2 v 和4 2 vf l j j i 种，其- j4 2 v 的电机主要用于柴油孔d 含 动力系统。 2 轻混合动力系统( i n t e g r a t e ds t a r t e rg e n e r a t o r ，简称i s g 系统) 。 弋 山东大学硕士学位论文 代表车型是通用的混合动力皮卡车。该系统采用了集成启动电机。与微混合 动力系统相比，轻混合动力系统除了能够控制发动机的启动和关闭，还能够实现： 当汽车减速和制动时，回收部分能量；在汽车行驶过程中，发动机保持等速运转， 发动机的输出可以在车轮的驱动需求和发电机的充电需求之间进行调节。这种系 统的混合度一般在2 0 以下。 3 中混合动力系统 代表车型是本田旗下混合动力的i n s i g h t 、a c c o r d 和c i v i c 。该系统同样采 用了i s g 系统。与轻度混合动力系统不同，中混合动力系统采用的是高压电机。 另外，中混合动力系统还能够实现：当汽车处于加速或大负荷工况时，电动机能 够提供部分动力，辅助发动机驱动车轮。这种系统的混合度较高，可以达到3 0 左右。目前中混合动力系统的技术已经成熟，应用广泛。 4 重混合动力系统 代表车型是丰田的p r i u s 和未来的e s t i m a 。该系统采用了2 7 2 6 5 0 v 的高压 电机，混合度更高，可以达到甚至超过5 0 。完全混合动力系统将随着混合动 力技术的发展逐渐成为未来的主要发展方向。 1 4 混合动力汽车关键技术 混合动力汽车的关键技术包括关键零部件技术、动力系统参数匹配f 9 】、电池 及其管理系统1 0 1 、控制策略、系统仿真技术、系统容错技术、车辆热管理技术等。 本文中主要研究和应用的是控制策略、系统仿真技术和车辆热管理技术。 1 控制策略 控制策略是混合动力汽车的大脑，是整车的控制中心，其主要功能是进行整 车的能量管理，协调各个系统之间的工作，以达到动力性、经济性和排放性的最 优化，同时兼顾行驶的平稳性和安全性。控制策略根据驾驶员的操作，如加速踏 板位置、制动踏板位置、离合器踏板位置等，判断驾驶员的意图，综合考虑电池 荷电状态、电池充放电效率、发动机工作的高效区、电机的效率等信息，在满足 驱动需求的前提下，最优地分配发动机、电机等动力部件的输出，实现能量的最 优化管理，达到整车燃油经济性和排放性的最优【1 1 】。 6 山东大学硕士学位论文 2 系统仿真技术 混合动力汽车的系统仿真技术可以预测混合动力汽车的性能、进行动力系统 参数匹配，从而大大地缩短混合动力汽车的开发周期，降低车辆性能测试所需的 试验费用，也是控制策略研究和开发的辅助手段。目前，用于混合动力汽车的仿 真软件很多，如s i m p l e v 、c a r s i m 、h v e c 、c s m 、h e v 、a d v i s o r 、c r u i s e 、 p s a t 和v - e l p h 等。目前，国内虽然有不少大学和科研机构开展了混合动力汽车 的仿真研究工作，并且开发了一些仿真程序，但是还没有出现成熟的商业化混合 动力汽车仿真软件。 3 冷却系统热管理技术 车辆热管理是从系统集成和整体角度，统筹热管理系统与热管理对象、整车 的关系，采用综合控制和系统管理的方法，将各个系统或部件如冷却系统、润滑 系统、空调系统及后处理系统等集成一个有效的热管理系统，控制和优化车辆的 热量传递过程，保证各关键部件和系统安全高效运行，完善地管理并合理利用热 能，降低废热排放，提高能源利用效率，减少环境污染【1 2 】。 车辆热管理系统涵盖了发动机热管理系统，发动机热管理系统又涵盖了发动 机冷却系统热管理系统。本文中的热管理是针对发动机冷却系统的热管理。利用 f l o w m a s t e r 软件来进行冷却系统热管理研究分析，对其进行建模和仿真，计算不 同环境温度不同工作模式下风扇的合理转速，为风扇控制策略的设计提供依据。 1 5 混合动力汽车发展现状与前景 早在2 0 世纪7 0 年代，国外就已经开始进行混合动力汽车的研发，但是由于 混合动力汽车的结构比较复杂，技术含量比较高，实现比较困难，直到9 0 年代， 世界各国的汽车企业才相继推出了混合动力概念车或样车，并有小批量的混合动 力轿车上市和少量的混合动力公交车开始示范运行f 1 3 】。 1 5 1 国内外混合动力轿车发展现状 从1 9 9 5 年起，日本、美国、欧洲等世界发达国家的各大汽车企业不惜投入 大量资金、人力进行混合动力汽车的研究与开发，并制定了一系列的相关政策和 7 山东大学硕士学位论文 法规来推动混合动力汽车的研发与推广。经过多年的努力和开拓，世界各大知名 汽车企业推出了各自的混合动力汽车产品，而且性能不断完善，销售量不断增长， 推动了混合动力汽车的商用化、产业化进程。典型混合动力轿车的结构形式和主 要参数如表1 2 所示【1 4 , 1 5 】。 表1 2 典型混合动力轿车的结构形式和主要参数 厂 车型类型 车重结构 发动机电动机 蓄电池变速器 商( k g ) 类型 丰 汽油 1 5 u 5 l k w3 3 k w6 5 a h p 订璐1 2 5 4混联 c v t 田商业车4 缸汽油机永磁同步电机镍氢电池 本汽油 l l ，5 0 k w 1 0 k w 6 5 a h 5 档 田 i n s i g h t 8 4 2并联 商业车4 缸汽油机永磁同步电机镍氢电池手动 日汽油 1 8 i 7 3 k w 1 3 k w , 1 7 k w 3 6 a h t i i i o 1 4 9 8混联c v t 童e 商业车 4 缸汽油机永磁同步电机锂离子电池 1 3 l 4 3 k w 镍氢电池 通柴油 i s u z u ( c i d i ) 交流异步电机 4 挡 p r e c e p t 1 1 7 5 并联 额定电压 用概念车 3 缸1 2 气阔 最大功率2 5 k w 自动 3 5 0 v 涡轮增压 1 2 l 5 4 k w 镍氢电池 福柴油 d i a t a ( c i d i ) 交流感应电机 5 挡 p r o d i g y 1 0 8 3 并联 额定电压 特概念车4 缸1 6 气阀 最大功率3 5 k w自动 3 5 0 v 涡轮增压 克 1 5 l 5 4 k w 锂离子电池 莱柴油 d d c ( c i d i ) 直流永磁电机6 挡 e s x 31 0 2 l 并联 额定电压 斯 概念车3 缸1 2 气阀最大功率1 5 k w自动 1 5 0 v 勒 涡轮增压 我国混合动力汽车的研究起步较晚，在“八五”和“九五”期间我国有计划 地开展了电动汽车关键技术的攻关和整车的研制，但所研发的混合动力汽车大部 分都是串联式的，只是在传统燃油汽车的动力系统上简单地添加了电机和电池组， 发动机和电机这两套动力系统只是简单结合，缺乏统一协调，技术的集成度较低， 缺乏高度自动化的控制系统和能量管理系统，与国外的先进技术水平相比还有很 大的差距。 在“十五”期间我国开始实施清洁汽车计划，混合动力汽车的研究与开发则 是该计划的主要内容，大大地推动了我国混合动力汽车的发展。各大汽车公司已 先后开发了多款混合动力轿车，部分车型已进入产业化阶段。国内混合动力轿车 研发情况如表1 3 所示。 窘 山东大学硕士学位论文 表1 3 国内混合动力轿车研发情况 厂商车型混合型式动力系统简介时间 东风电动车辆 e q 7 2 0 0 h e v 并联强混 1 6 l 电控汽油机，永磁同步驱动电 2 0 0 6 股份有限公司混合动力轿车机，高性能镍氢电池，混联方式 自主研发的直列四缸1 3 l 涡轮增 中国第一汽车奔腾混合动力 并联强混压发动机，水冷永磁电机，额定电2 0 0 7 集团公司轿车 监为2 8 8 v 的锞氢动力电池 a 3 混合动力1 3 l 柴油发动机和3 0 k w 永磁同步 奇瑞汽车公司 并联弱混 2 0 0 6 轿车电机，选用了全自动变速箱c v t 杰勋混合动力 长安汽车公司并联弱混1 5 l 汽油发动机，镍氢动力电池 2 0 0 7 轿车 1 5 2 国内外混合动力公交车发展现状 国外对混合动力公交车的研发与纯电动公交车的研发几乎是同时起步的，目 前国外研制的样车和投入示范运行的车型如表1 4 所示【1 6 1 。串联式混合动力公 交车作为混合动力公交车的主流车型，占据了各国大部分的市场，尤其是美国市 场。 表1 4 国外研发的混合动力公交车车型 结构 最高电 车型状态国家电池发动机 类型车速机 n e wf l y e rd f a o l f 产品9 6铅酸 n o v ab u st r a n s i t 产品美国串联 8 8a cp b s 0 4 柴油 h i n oh y b r i dc r u i s i n g产品日本并联1 3 5 a c铅酸6 5 a h 柴油 h i n oh y b r i dr o u t eb u s 产品日本并联 8 0a c 铅酸柴油 o r i o n v i h e v b u s 产品美国串联 1 0 0a c 柴油 铅酸镍氢丙烷俐g i s et h u n d e r v o l tt b3 0 h 产品美国串联 8 8a c 锂离子汽油 铅酸镍氢丙烷俐g i s et h u n d e r v o l tt b4 0 h产品美田串联1 2 2 a c 锂离子汽油 i v e c o12 ma l t r ob u sh y b r i d 产品意大利串联 6 2 铅酸柴油 8 8 j s - 3 0 样车美田串联燃气轮机 ( 最低) 8 8 吣y s - 3 5 样车美国 串联 燃气轮机 ( 最低) g m4 0 - f o o tr t s演示车美固串联a c 柴油 v a nh o o la 3 0 b h 演示车比利时 串联6 0a c铅酸 柴油 n a s at r a n s i tb u s试验 美田 串联9 5a c 9 山东大学硕士学位论文 目前国内参与混合动力公交车研发的企业包括宇通、中通、金旅、五洲龙和 北汽福田等整车生产企业，它们已经陆续推出了各自的混合动力公交车产品。表 1 5 为各企业开发的混合动力公交车车型。 表1 5 目前开展混合动力公交车研发的国内主要厂商及车型 厂商混合动力车型 混合型式 上海申沃公交车有限公司 s 、v b 6l0 5 脏v 混合动力公交车 并联强混 东风电动车辆股份有限公司e q 6 1 0 0 h e v 混合动力公交车并联轻混 一汽集团c a 6 1 1 0 脏v 混合动力公交车并联 天津清源电动车辆有限公司 q y 6 7 2 0 h e v 串联 玉柴集团d f h z 6 1 1 5 h e vl s g 深圳五洲龙汽车有限公司 f d g 6 1 2 l h e v g 并联 厦门金龙旅行车有限公司x m l 61 1 2 p 脏v 混合动力公交车并联 北汽福田汽车股份有限公司b j 6 11 3 c 7 m 4 d 混合动力公交车并联 综上所述，目前国内外混合动力汽车( 轿车和公交车) 的研发事业蓬勃发展， 并取得了巨大的成绩。与纯电动汽车和燃料电池汽车相比，目前混合动力汽车技 术更加成熟，而且已经有不少混合动力车型已经实现了商品化。因此，世界各大 知名汽车企业正继续向全球汽车市场推出各自的混合动力汽车产品。据专家预测， 混合动力汽车的生命周期至少有3 0 年【m 。 从国内市场来看，混合动力汽车成功服务于北京奥运会、残奥会和上海世博 会，取得了良好的社会效益、经济效益和环境效益，初步证明了在我国推广和应 用混合动力汽车的可行性和适用性。作为奥运科技和世博科技的“遗产，混合 动力汽车的大规模示范运行即将在全国各地展开，电动汽车商品化产业化的步伐 必将加快。 1 6 论文的课题来源与主要内容 1 6 1 论文的课题来源 本文的课题来源于国家十二五科技支撑计划( 2 0 1 l b a g 0 4 8 0 0 ) 项目：“通 用的商用车与工程机械模块化混合动力总成 和企业委托项目：“商用车及混合 动力公交车的冷却系统仿真及热管理计算分析 。 1 0 山东大学硕士学位论文 1 6 2 论文的主要内容 混合动力汽车是当今汽车行业发展的热点。本文以并联式混合动力公交车作 为研究对象，对其关键零部件进行了选型，对其整车和冷却系统分别建模仿真， 并将仿真结果与试验数据进行对比分析，为今后开发设计混合动力汽车提供了理 论基础和实践依据。本文主要包括以下内容： ( 1 ) 第一章是绪论。介绍了本文研究的背景与意义、混合动力汽车的定义及 其分类、混合动力汽车的关键技术以及混合动力汽车( 轿车和公交车) 的发展现 状与前景。 ( 2 ) 第二章是并联式混合动力公交车控制策略设计。首先介绍了混合动力汽 车的控制策略的研究现状，着重介绍了并联式混合动力汽车控制策略。然后针对 并联式混合动力汽车的结构特点，结合城市循环工况的特点，制定了并联式混合 动力公交车的控制策略，即通过高效电机的补偿功能，使发动机尽可能地工作于 高效区，从而降低油耗和排放，并保证电池的荷电状态在一定的范围内，避免过 度充放电。最后利用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立整车控制策略模型。 ( 3 ) 第三章是并联式混合动力公交车建模仿真。首先根据混合动力汽车的特 点以及对发动机、电机和储能装置的性能要求，为并联式混合动力公交车选择合 适的关键部件。然后利用c r u i s e 软件建立并联式混合动力公交车的整车模型， 运行循环工况、爬坡性能和全负荷加速性能三项计算任务。最后分析混合动力系 统的设计及控制策略的设计是否满足运行要求，对比分析仿真结果与试验数据是 否吻合，分析汽车的各项性能指标。 ( 4 ) 第四章是混合动力汽车冷却系统控制策略设计。首先利用f l o w m a s t e r 软 件建立并联式混合动力公交车的冷却系统模型，仿真计算出在不同环境温度不同 工作模式下风扇的合理转速。然后利用s p s s 软件进行回归分析，得出风扇转速 与其相关因素之间的关系，以此为基础制定风扇的控制策略。最后利用 m a t l a b s i m u l i n k 软件中建立风扇控制策略的模型。 ( 5 ) 第五章是全文的总结和展望。首先对全文的主要内容进行了总结，然后 分析了全文工作存在的不足，最后对下一步的研究工作作了展望。 山东大学硕士学位论文 第二章并联式混合动力公交车控制策略设计 2 1 混合动力汽车控制策略 混合动力汽车包括发动机电机储能装置，离合器和变速器等动力部件， 是一个集成了力学、电气学、化学、和热力学等多方面知识的高度非线性动态系 统。在行驶过程中，如何最合理地在各个动力部件之间分配能量是混合动力汽车 实现低油耗、低排放的关键。在行驶过程中，控制混合动力汽车各组成部件( 发 动机、电机、储能装置、传动装置等) 之间的能量流的大小和流向，称为能量管 理，实现能量管理的算法即为控制策略【1 引。 2 1 1 串联式混合动力汽车的控制策略 串联式混合动力汽车的发动机与汽车的行驶工况没有直接联系，因此控制策 略的主要目标是使发动机尽可能地工作于高效区和低排放区。此外，为了优化能 量的分配，还必须综合考虑发动机、发电机、电动机和电池的总体效率。串联式 混合动力汽车有三种基本的控制策略： 1 恒温器策略 当电池荷电状态降到设定的最低门限值时，发动机启动，在设定的高效区以 恒功率模式运转，一部分功率用于驱动车轮，另一部分功率用于给电池充电；而 当s o c 上升到设定的最高门限值时，发动机关闭，电动机驱动车轮；当s o c 降 到设定的最低门限值时，发动机再次启动并在设定的高效区以恒功率模式运转f 1 9 。 恒温器策略原理图如图2 1 所示。 保持 开启前一时刻关闭 发动机状态 图2 1 恒温器策略原理图 山东大学硕士学位论文 2 功率跟随型策略 功率跟随型控制策略要求发动机的输出功率随着路面的负载而变化，根据电 池的荷电状态和汽车的负荷来确定发动机的开关状态和输出功率的大小，目的是 满足汽车的功率需求。发动机只有在纯电动模式下才停止工作，当发动机功率需 求小于输出功率，将发动机的输出功率调整为最小值：当电池荷电状态高于设定 的最低门限值时，汽车的功率需求未超出电池容量但超过发动机最大功率，则发 动机输出功率调整为最大值1 2 们。功率跟随型策略原理图如图2 2 所示。 3 基本规则型策略 s o c l w 0 发动机状态 l 关保持开 保持保持开 开 开开 图2 2 功率跟随型策略原理图 当电池荷电状态s o c 较低或车轮负荷较大时，发动机均会启动；当车轮负 荷较小且s o c 达到设定的最高门限值时，发动机关闭；在发动机启动与关闭之 间设定了一定范围的状态保持区域，这样避免了发动机的频繁启动、关闭。该策 略综合了恒温器策略与功率跟踪型策略的优点，根据发动机的负荷特性设定了发 动机工作的高效区，根据电池的充放电特性设定了电池高效率的s o c 范围，并 设定了一组控制规则，根据需求功率和s o c 进行控制，以充分利用发动机和动 力电池的高效区，使整体效率达到最高【2 1 1 。基本规则型策略原理图如图2 3 所示。 发动机状态 o 发动机 开启经济工作区关闭 调节功率输出 s o q 憎s 曲s 0 c 图2 - 3 基本规则型策略原理图 1 4 山东大学硕士学位论文 2 1 2 并联式混合动力汽车的控制策略 并联式混合动力汽车的控制策略目前仍不成熟，需要进一步优化。一般的并 联式混合动力汽车控制策略是根据加速踏板位置、制动踏板位置、离合器踏板位 置、电池的荷电状态、车速等参数，按照一定的规则使发动机和电机输出相应的 转矩或功率，以满足车轮驱动的需求l 捌。 1 以车速为主要参数的控制策略 早期的并联式混合动力汽车控制策略，大多以车速作为控制的主要依据【2 3 1 。 基于速度的控制策略设计简单，易于理解，技术门槛较低，因此在混合动力汽车 研究与开发的初期得到了较为广泛的研究和应用。 车速是基于速度的控制策略最重要的控制依据：当汽车车速低于设定的车速 时，由电动机单独驱动车轮；当车速高于设定的车速时，电动机关闭，而由发动 机驱动车轮；当车轮负荷较大时( 如加速或爬坡行驶时) ，则由发动机和电动机 共同驱动车轮。这种策略利用了电动机低转速大转矩的特点，避免了发动机的怠 速及低负荷工况。当车速较高有助于发动机高效工作时，发动机的启动可避免纯 电动高速行驶时电池的快速放电损失。在这种控制策略中，设定车速可以设计为 一个定值。对于荷电消耗型混合动力汽车，设定车速愈低，汽车一次充电的续驶 里程愈长【2 4 1 。也可将设定车速设计为蓄电池组放电深度的函数。 美国k l b u l t e r 等人提出了另一种基于速度的控制策略：当车速较低时，由 电机单独驱动车轮；但当车速高于设定的车速时，则由发动机和电机共同驱动车 轮，此时发动机保持以恒定的节气门开度运行，而由电机提供车轮所需的动态功 率【2 。通过提高设